一种基于通用软件无线电平台的短波跳频通信系统的制作方法

一种基于通用软件无线电平台的短波跳频通信系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域。特别涉及短波跳频通信系统，灵活性强，支持多制式， 适用于0-30MHZ短波信号发射与接收。
【背景技术】
[0002] 传统的的跳频信号主要基于硬件系统DDS或其他专用硬件来实现，以及对应的跳 频信号调制与解调的算法也都是在相关硬件上实现，所以他的灵活性受限，可拓展性差，通 用性不强。而通用软件无线电平台（UniversalSoftwareRadioPeripheral，USRP)是通 用的软件无线电硬件平台，它的主要信号处理模块FPGA可在电脑上对他进行重配置，基带 信号的处理可完全转移到软件平台，可支持0到6G射频信号的发射与接收，信号传输带宽 最大可支持50MHZ。频率在3MHz到30MHz范围的短波通过电离层发射传播信号，在没有转 发器的情况下，传播距离也可以达到上千公里。而短波跳频通信电台利用短波通信这一特 性，在短波频段范围内，设置某些频点随机发射信号，达到保密通信的目的。
[0003] 随着科学技术的不断发展，对长距离通信的技术要求也在不断的提高，特别是军 事与外交等领域，它们迫切的需要通信电台能够高速、安全、稳定、可靠地传递信息，在这种 情况下，为了适应当代形势下的要求，现有的短波通信电台技术就面临着必然的革新。而软 件无线电硬件平台USRP设计的基本思想是：通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软 件编程来实现无线电台的各种功能。我们将其应用于短波电台的设计，从而改变了传统的 基于硬件、面向用途的电台设计方法。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种基于通用软件无线电平台（USRP) 的短波跳频通信系统。本发明所要解决的技术问题有以下几点：
[0005] 1、USRP与PC之间信号发射与接收的时间同步，作为发射机的USRP与作为接收机 的USRP之间的时间同步；
[0006] 2、软件编程实现USRP射频前端连续在不同的随机载频上发射信号；
[0007]3、对跳频信号进行GMSK调制，并使得空中数据传输速率达到了系统所要求的速 率；在接收机上对跳频信号进行同步解调；
[0008] 本发明主要是基于gnuradio开源软件无线电平台，gnuradio提供信号处理与运 行模块，可让使用者充分利用射频、信号处理，通信等相关知识实现无线通信等相关应用， 对信号、信道编码、调制等相关仿真。开源的Gnuradio脚本语言主要基于python语言编写， 模块主要功能基于C++来实现。因此使用者可以很方便的在gnuradio环境下编写一个我 们自己想要实现某个功能的模块并导入。在通用的软件无线电通用平台下，可以很方便的 搭建自己的通信系统。
[0009] USRP系列硬件可结合gnuradio软件实现不同的软件无线电技术相关应用。USRP 结合PC可实现在0-6G载频上对带宽最高为50M的信号进行收发。
[0010] 软件无线电短波跳频通信系统的设计是充分将软件无线电技术加载到跳频通信 系统，可以更有效的降低成本，提高系统的灵活性等特点。软件无线电短波跳频通信系统主 要是将传统的跳频通信系统的一些硬件设备完成的功能全部转化到由软件完成。如：跳频 信号的形成我们无需专用的伪随机码生成器，频率合成器等硬件，本发明实现跳频信号只 需要将软件无线电硬件平台在软件上实现参数配置，将跳频算法形成代码的形式来控制硬 件平台对信号的发射；对于调制与解调部分，以往常常是使用专用的调制方式的硬件平台 来对发射前的信号进行调制，而软件无线电平台完全可以把这个硬件部分抛弃，它支持多 种调制与解调方式，可以根据需要任意选择或者混合调制与解调都是可以实现的。基于这 一基础，同时也极大的减少了信号的模拟环节处理部分。
[0011] 本发明是通过以下技术方案实现的。
[0012] 本发明所述的基于USRP的短波跳频通信系统，包括信号发射、信号接收两大模 块，其中信号发射模块包括：信号源模块、数据包转换模块、数字信号调制模块和USRPTX 模块，各模块依次连接；信号接收模块包括：USRPRX模块、数字信号解调模块、数据包解调 模块和信号波形模块，各模块依次连接。
[0013] 所述的信号源模块可以有以下几种constantsource，fastnoisesource，noise source，randomsource，signalsource，GLFSRsource，filesource，audiosource等模 块，每个模块gnuradio提供了图形界面对它们进行参数设置。信号源也可以是来自外部的 信号源，但是必须要转换成文件存储数据的形式或者音频的形式才能在gnuradio处理平 台上调用。然后需要调用gnuradio库里的filesource与audiosource将我们信号源的 文件导入，方可进行信号调制与发射。
[0014] 所述的数据包转换模块主要是为后一环节调制准备的，但也不是所有调制之前都 需要先通过packetencode模块，只有GMSK，DPSK，QAM等数字信号调制方式，才需要我们在 对数字信号进行数字调制前，将它们先进行打包转化成符号的形式，才能进行正确的调制。
[0015] 所述的数字信号调制模块（Gnuradio平台）具有非常丰富的信号调制与解调模块 库，可以任意调用，这给系统设计的过程中带来了极大的方便。而这些库的源代码都可以看 到，如果这些模块库满足不了需要，这是被允许的，去修改它们的源代码满足设计需要。
[0016] 所述的USRPTX模块，产生跳频信号的产生，将信号上变频到射频信号然后进行发 射。该模块可控制发射信号在不同时隙的发射频率。
[0017] 所述的USRPRX模块，主要功能是将信号下变频到基带信号，对跳频信号的同步接 收与解跳的一个过程，它与USRPTX模块的设置参数要保持严格一致，才能保证信号接收无 误。
[0018] 1、跳频信号产生。
[0019] 跳频序列的产生，采用混沌序列算法。混沌理论是从有序突然变为无序状态的一 种演化理论，是非线性动力学系统中的一种确定性的、类似随机的，有秩序而又无秩序的过 程。因为混沌系统初始条件决定了系统后面的状态，初始条件有一点点的变化都会导致后 面的状态发生极大的变化，所以在跳频系统抗干扰与保密性方面，混沌序列是非常好的选 择。本系统选择Logistic映射来产生跳频序列。Logistic映射称为虫口模型，也是目前研 宄较广泛的一种混沌映射。它的模型可用昆虫繁殖来解释，即在某一范围内，单一昆虫繁殖 产生的后代数量远远大于亲带数量，如此在产生后代之后，亲代的数量即可忽略不计。一维 的Logistic映射定义为：
[0020] xn+1=rxn(l-xn) (1)
[0021] 其中，x属于[0，l]，r是控制参数，范围（0,4)。只有当3.5699... <r<4时，系 统才开始工作在混沌状态，迭代生成值这个时候处于伪随机分布状态，当r的值却接近4的 时候迭代生成的值随机分布性能就越强。Logistic轨道点的概率密度函数表示为：
[0022]
[0023] 需要注意的是，如果我们利用Logistic映射进行迭代时，初值一般建议不要取0、 l、l/r、这几个值，因为它们是不动点。Logistic映射r取4时，其分岔图如图2示，横坐标 将r取值范围定义为（3. 1，3. 99)，纵坐标为对应的x值。图3是logistic-维矩阵记录的 迭代结果。
[0024] 选择logistic映射来产生我们的跳频序列。将logistic产生的混纯序列Xn然 后再对它进行线性变化Fn=(2Xn+l)*10~6,便可以得到频段在10MHz-30MHz之间的发射频 点。如图4示，取100个点时，在matlab上使用该算法产生的混沌跳频信号分布。
[0025] 使用混沌序列算法产生的跳频序列存入文档内，然后在我们python执行文件中 读取该跳频文件，然后进一步对它进行相关数学运算使其产生的跳频信号在我们的发射信 号频带内。最后将它在终端读取。
[0026] 具体步骤如下：
[0027] 1)使用logistic映射产生相应的混沌系列，将序列相应的数据存入文档，放入 gnuradio库文件目录下。
[0028] 2)在跳频系统软件执行文件下调用混沌序列文档，并对它进行线性Fn= (2Xn+l) *10~ 6,循环这个过程，得到不同的频点。
[0029] 3)使用产生的频点去控制USRPTX发射模块的发射中心频率，即完成了跳频发射 的过程。
[0030] 2、GMSK调制解调。
[0031] 高斯滤波最小频移键控（GMSK)基本原理是将基带信号先经过高斯滤波器处理， 再进行最小频移键控（MSK)调制。因为经过高斯滤波器成形后的高斯脉冲包络没有边沿陡 峭情况，故它的频谱特性较MSK信号的频谱特性更好。在GNURadio软件处理模块上已经有 编写好的GMSK调制与解调模块。
[0032] 其中GMSK调制时，参数B表示滤波器为3dB时的带宽，T(比特宽度），参数设置界 面用BT来表示，它的宽度作为GMSK调制时的参变量，BT值不同，系统响应是不一样的。因 为BT=BAl/T) =B/R(R为比特速率），所以BT也称为归一化3dB带宽。根据系统的性 能，将BT值设置为0. 35。
[0033] 3、跳频信号同步接收。
[0034] 保证跳频信号成功接收，发射与接收系统都需要同时满足三个条件：跳频频率相 同，跳频序列相同，跳频时钟同步。三个条件必须同时满足，才能成功实现跳频通信。
[0035]本发明跳频信号同步接收的方法以精确时钟法为主，自同步法为辅。为了与发射 方实现接收同步，首先将2台USRP用MMO线将它们时钟进行严格同步；其次，将发射方跳 频序列产生的算法同样用于接收方，保证收发双方工作在同一时间，即可实现跳频序列同 步；接着在发射信号时，将发射信号附带上相应的发射频点信息与发射时刻等同步信息，待 USRP接收到信号时，第一时间是通过USRPdevice读取频点产生的时间信息，进而调整接 收方的相对时间，接收对应的频点。简要的说，接收方跳频信号同步分为以下三步：
[0036] 时钟同步：USRPN210 带有mimo拓展接口，将2台USRPN210利用mimo线连接起 来，在软件上设置相关参数，即可实现它们的工作频率同步。
[0037] 跳频序列同步：发射方与接收方使用的跳频序列算法一样，双方工作的相对时间 一致。
[0038] 跳频频率的同步：频率表事先对发射方与接收方约定好，因为实验采用的是将跳 频算法形成代码的形式，来产生跳频信号，所以我们在发射模块上跳频信号产生的代码同 样可以运用到接收模块上。如此发射跟接收只要控制工作时钟同步，即可以实现发射与接 收频率一一对应的效果。
[0039] 具体步骤如下：
[0040] 1)将接收机使用MM0线与发射机连起来，将发射机与接收机进行时钟同步。 [0041] 2)在USRPRX接收模块同样调用混沌序列文档，使用发射机产生跳频信号相同的 方法去接收跳频彳目号。
[0042] 本发明所述一种基于USRP的短波跳频通信系统的通信过程为：
[0043] 发射模块端，经信号源模块发射本地信号，经数据包进行数据格式转换，GMSK调 制，再由USRPTX模块在3MHz-30MHz频段内，不同时隙，不同频点随机发射，根据需要可适 当添加功放。其中USRPTX发射随机跳频信号的过程为：首先使用logistic映射算法产生 混沌系列，然后对该系列做线性变换，使其产生的频点在发射信号允许频段内。然后将其加 载到USRPTX模块上，进而控制USRPTX发射信号频点的一个过程。接收模块端，采用MM0 线将发射机与接收机相连，进行严格的时间同步，采用发射跳频信号相同的算法进行跳频 序列同步，在跳频信号同步接收之后，接着进行数据格式转换，GMSK解调，达到还原本地信 号，获取信号信息的通信目的。
[0044] 本发明与现有技术相比，有以下技术效果：软件无线电短波跳频通信系统的设计 是充分将软件无线电技术加载到跳频通信系统。只需一台软件无线电硬件平台（这里我们 使用的是USRPN210平台）与一台PC，就可以成功搭建发射机与接收机，较传统跳频系统的 优势主要体现在灵活性强，设备简单，可重配置，支持多种制式，可快速搭建等。
【附图说明】
[0045]图1为本发明短波跳频通信系统模块流程设计框图。
[0046] 图2为本发明logistic映射分岔图。
[0047] 图3为本发明logistic映射一维矩阵记录的迭代结果。
[0048] 图4为本发明发射方GNURadios系统搭建界面图。其中，vectorsource代表的是 信号源其中一路直接接了一个QT⑶ISink(信号波形输出显示）模块，观测输入信号源的 特性。另一路经由packetencoder(数据包转换）将信号转换成符号的形式，在经过GMSK M0D(GMSK调制）模块对信号进行调制，预防数据传输过快导致数据阻塞现象，在调制之后 添加了一个throttle(节流功能）模块，在这里也另添加了一路QT⑶ISink(信号波形输 出显示模块），观测输出波形特性。最后交给USRPTX(发射功能）模块加载跳频信号然后 进行发射的一个过程。
[0049]图5为本发明接收方GNURadios系统搭建界面图。其中，USRPRX(接收功能）模 块同步接收跳频信号，并将下变频，然后分成2路，一路直接接QT⑶IConstellation(波 形相位观察）模块，另一路经由GMSKDemod(GMSK解调）模块解调，解调完经过packet decoder(数据包转换）将传输的数据形式进行转换，最后输入到QT⑶ISink(信号波形输 出显示）模块，观察输出信号波形特性。
[0050] 图6为本发明不同时隙发射信号频点终端实时列表终端显示图。
[0051] 图7为本发明经GMSK调制后输出时域波形图。
[0052] 图8为本发明源信号频域波形图。
[0053] 图9为本发明解调后信号频域波形图。
[0054] 图10为本发明经GMSK调制后信号星象图。
[0055] 图11为本发明同步接收解跳后信号星象图。
[0056] 图12为本发明源信号时域波形图。
[0057] 图13为本发明接收解调后信号时域波形图。
[0058] 图14为本发明短波跳频通信系统实物框图。
【具体实施方式】
[0059] 本发明将结合附图，通过以下具体的实施例作一步地说明。
[0060] 本实施例硬件平台采用2台PC和2台USRPN210, 一台作为发射机一台作为接收 机，采用0-30MHZ的射频发射与接收子板。信号源部分可以是gnuradio库模块可以是来 自外界的信号文件。短波跳频通信系统实物框图如图14。
[0061] 首先我们需要将USRPN210用网线与PC相连，然后对USRPN210的连通性进行测 试，硬件测试连通后，开始软件平台的操作。
[0062] 用python语言将产生跳频序列的算法导入USRPsink与USRPsource模块，分别 对它们进行编译，其部分代码见附件一。编译成功后，我们开始在gnuradio图形软件GRC 上搭建我们的系统模块，如图4示，发射方GNURadios系统搭建界面。它的界面功能模块主 要包含信号源SignalSource模块，GMSKMod调制模块以及USRPN210发射信号模块构成。 其中PacketEncoder模块主要功能是将源信号打包成符号以数据流的形式进行传输，以 便进行后面的GMSK调制过程；Throttle模块是缓解数据传输速率的模块，减缓PC与USRP N210之间的信号传输数据的堆积与阻塞；QTGUISink模块是用来观察模块输出波形的时 域、频域、及星象图等波形图；QTGUIRange模块是用来给系统传输中某个参数设定动态范 围的功能。它们每个模块的功能都是由底层C文件编程来实现，而用户界面由python脚本 来实现。如图5示，接收方GNURadios系统搭建界面，它的主要模块包含USRPN210接收模 块，GMSK解调模块，示波器接收模块等。
[0063] 本实验室的短波跳频通信系统信号源模块为了方便对接收信号进行分析，我们选 择一个简单的矢量序列（3, 4, 5, 0, 7)循环发射，这个序列相关参数在仿真过程中是可以更 改的。结合USRPN210的硬件特性，我们将软件平台上的信号处理过程中采样率设置为 250KHz;GMSK调制BT参数设置为0. 35;USRPN210发射与接收端增益默认值设置为15db; 跳频频点默认值设置为10MHz，频段为10MHz-30MHz之间。信号在发射过程中，我们将系统 不同时隙发射的频点在终端显示，如图6所示，是本系统在不同时隙发射信号频点列表。图 7所示是经GMSK调制后输出波形。图8是源信号与解调后信号频域波形对比。对比它们的 频谱我们会发现，解调后的信号频谱（上）有边带产生，这是因为信号在经过USRPN210传 输时，携带了一定的噪声信号，但是我们可以观察到噪声信号功率还是很低很低，完全不影 响本地信号的恢复。图9上是原信号经GMSK调制后的星象图，下是解跳之后调制之前的信 号星象图；图10原信号（上）时域波形图与解调后（下）信号时域波形图。将接收解调后 的信号时域波形与原始信号时域波形对比，我们发现，除了接收时间有时延，接收解调后的 信号完整的将序列（3, 4, 5, 0, 7)还原。
【主权项】
1. 一种基于通用软件无线电平台的短波跳频通信系统，其特征是包括信号发射、信号 接收两大模块，其中信号发射模块包括：信号源模块、数据包转换模块、数字信号调制模块 和USRP TX模块，各模块依次连接；信号接收模块包括：USRP RX模块、数字信号解调模块、 数据包解调模块和信号波形模块，各模块依次连接； 其通信过程为：发射模块端，经信号源模块发射本地信号，经数据包进行数据格式转 换，GMSK调制，再由USRP TX模块在3MHz-30MHz频段内，不同时隙，不同频点随机发射，其 中USRP TX发射随机跳频信号的过程为：首先使用logistic映射算法产生混沌系列，然后 对该系列做线性变换，使其产生的频点在发射信号允许频段内；然后将其加载到USRP TX 模块上，进而控制USRP TX发射信号频点；接收模块端，采用MMO线将发射机与接收机相 连，进行时间同步，采用发射跳频信号相同的算法进行跳频序列同步，在跳频信号同步接收 之后，接着进行数据格式转换，GMSK解调，还原本地信号。2. 权利要求1所述的一种基于通用软件无线电平台的短波跳频通信系统，其特征是所 述的跳频信号产生过程是： 1) 使用logistic映射产生相应的混沌系列，将序列相应的数据存入文档，放入 gnuradio库文件目录下； 2) 在跳频系统软件执行文件下调用混沌序列文档，并对它进行线性Fn = (2Xn+l)*10~6,循环这个过程，得到不同的频点； 3) 使用产生的频点去控制USRP TX发射模块的发射中心频率，即完成了跳频发射的过 程。3. 权利要求1所述的一种基于通用软件无线电平台的短波跳频通信系统，其特征是所 述的同步接收过程是： 1) 将接收机使用MMO线与发射机连起来，将发射机与接收机进行时钟同步； 2) 在USRP RX接收模块同样调用混沌序列文档，使用发射机产生跳频信号相同的方法 去接收跳频信号。
【专利摘要】一种基于通用软件无线电平台的短波跳频通信系统，信号发射模块包括：信号源模块、数据包转换模块、数字信号调制模块和USRP TX模块，各模块依次连接；信号接收模块包括：USRP RX模块、数字信号解调模块、数据包解调模块和信号波形模块，各模块依次连接；发射模块端，经信号源模块发射本地信号，经数据包进行数据格式转换，GMSK调制，再由USRP TX模块在3MHz-30MHz频段内，不同时隙，不同频点随机发射；接收模块端，采用MIMO线将发射机与接收机相连，进行时间同步，采用发射跳频信号相同的算法进行跳频序列同步，在跳频信号同步接收之后，接着进行数据格式转换，GMSK解调，还原本地信号。本发明灵活性强，设备简单，可重配置，支持多种制式，可快速搭建等。
【IPC分类】H04B1/7183
【公开号】CN104883204
【申请号】CN201510274394
【发明人】姚明, 魏葵
【申请人】南昌大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月26日